Obecnie coraz częściej inwestorzy, którzy jako źródło ogrzewania w swoim domu wybrali pompę ciepła, decydują się na zamontowanie instalacji fotowoltaicznej. Obie technologie świetnie ze sobą współgrają, ponieważ energią napędową dla pompy ciepła jest energia elektryczna, której w przypadku odpowiedniej liczby modułów PV użytkownik może mieć w nadmiarze. Wykorzystanie pompy ciepła powoduje zwiększenie zużycia produkowanej energii elektrycznej na potrzeby własne, czyli tzw. autokonsumpcji. A to zawsze przynosi dobry efekt ekonomiczny. Spróbujmy jednak odpowiedzieć na pytanie, jak stworzyć inteligentny minisystem zarządzania energią w budynku jednorodzinnym, aby pod względem energetycznym zoptymalizować współpracę instalacji PV z pompą ciepła?

Pomimo korzystnego systemu opustów (w zależności od mocy instalacji, prosument może odebrać 80% bądź 70% nadmiaru energii oddanej do sieci), zwiększenie zużycia energii na potrzeby własne w momencie jej wytwarzania zawsze będzie miało pozytywny skutek. Korzysta sam użytkownik ze względów ekonomicznych, ponieważ mniej energii oddanej, a potem pobranej według odpowiedniego przelicznika, w konsekwencji zmniejsza całościowy rachunek za energię elektryczną. Beneficjentem takiego rozwiązania jest również cały system elektroenergetyczny, ze względu na „łagodniejszą” eksploatację sieci przesyłowych, które w Polsce są i tak już mocno obciążone. Produkcja i zużywanie tej energii bezpośrednio u odbiorców skutkuje również uniknięciem strat przesyłowych.

Jak zwiększyć autokonsumpcję?
Zwiększenie autokonsumpcji energii elektrycznej może być realizowane na wiele sposobów, np.:

• uruchamianie urządzeń AGD w momencie wytwarzania energii przez instalację fotowoltaiczną, Konrad Grabowski, dział Wsparcia Technicznego i Szkoleń, Viessmann Warsztaty instalatora OZE
• zastosowanie klimatyzatorów i ogrzewania elektrycznego, które przez odpowiednie sterowniki będą uruchamiać się przy nadmiarze produkcji energii,
• wykorzystanie grzałki elektrycznej do ogrzewania wody w zasobniku ciepłej wody użytkowej
• i wreszcie – wymuszenie pracy samej pompy ciepła.

Zastosowanie grzałki elektrycznej do ogrzewania wody w zasobniku c.w.u. jest jednym z prostszych sposobów na zwiększenie bieżącego zużycia energii, jednak w porównaniu do pracy samej pompy ciepła, grzałka okazuje się nieefektywnym i ograniczonym pod względem funkcjonalności rozwiązaniem. Pompa ciepła zapewnia bowiem zdecydowanie wyższą efektywność (współczynnik COP przy grzaniu c.w.u. przekracza wartość 3), a także szersze możliwości – jej praca, oprócz przygotowania cw.u., może także służyć wspomaganiu instalacji centralnego ogrzewania czy chłodzeniu budynku.

A może prosta sieć inteligentna?
Współpraca producentów falowników do instalacji fotowoltaicznych z producentami pomp ciepła umożliwiła integrowanie automatyki obu urządzeń i tworzenie u użytkowników prostej sieci inteligentnej.
Zasada działania takiego układu jest nieskomplikowana. Gdy falownik „widzi”, że moduły PV generują moc, na dedykowanym temu złączu („SG Ready”) pojawia się napięcie. Napięcie to działa na zewnętrzny przekaźnik zwierający odpowiednie złącze na pompie ciepła (również noszące nazwę „SG Ready”) i od tego momentu do gry wchodzi układ sterowania pompą ciepła. Przykładowo, w pompie ciepła Viessmann z serii Vitocal 200-S można wykorzystać w tym celu wejście na płycie głównej, sterowane poprzez 1 lub 2 przekaźniki.

W zależności od tego, które złącze jest zwarte, pompa ciepła może zrealizować dodatkową funkcję:

• zwiększenie temperatury w zasobniku ciepłej wody użytkowej,
• zwiększenie temperatury w instalacji centralnego ogrzewania
• lub, co jest bardzo korzystne w okresie letnim, gdy energia z instalacji fotowoltaicznej jest największa, a temperatura zewnętrzna wysoka – zmniejszenie temperatury w systemie chłodzenia.

Tak sterowany układ, mimo dużej zalety, jaką jest prostota, ma jednak pewną wadę, a mianowicie – inwerter nie ma informacji, jaka energia jest odbierana przez obwody domowe.
Dobrze ilustruje to następująca sytuacja:

• pompa ciepła w danych warunkach zewnętrznych może się uruchomić do dodatkowego wygrzania zasobnika ciepłej wody użytkowej z zapotrzebowaniem na moc równym 2,5 kW;
• instalacja fotowoltaiczna generuje moc równą 3 kW i teoretycznie bez problemu pokryje zapotrzebowanie urządzenia grzewczego;
• w tym samym momencie użytkownicy korzystają jednak z piekarnika (moc 2,5 kW), telewizora (moc 100 W), działa lodówka (moc 100 W) oraz zmywarka (moc 50 W).

Okazuje się zatem, że nadmiar mocy to zaledwie 250 W, w związku z czym pompa ciepła i tak 90% zapotrzebowania na moc pobierze z sieci elektroenergetycznej. W takim przypadku efekt wymuszenia pracy pompy zostanie zniwelowany przez znaczną część pobranej energii, za którą użytkownik instalacji musi zapłacić w całości.

Doposażenie układu w odpowiedni licznik
Rozbudowaniem powyższego rozwiązania jest zastosowanie urządzenia, które będzie odpowiedzialne za pomiar rzeczywistej energii oddawanej do sieci elektroenergetycznej. W zależności od producenta można znaleźć na rynku kilka dedykowanych temu celowi rozwiązań. Na przykład producenci falowników pozwalają na podłączenie dodatkowego licznika, współpracującego z inwerterem, natomiast producenci pomp ciepła, jak Viessmann, stawiają na zastosowanie licznika komunikującego się bezpośrednio z pompą ciepła, np. za pomocą protokołu ModBus.

W przypadku takiego rozwiązania kluczowe jest właściwe podłączenie licznika oraz pompy ciepła w instalacji elektrycznej. W momencie pracy instalacji fotowoltaicznej, energia wyprodukowana przez panele PV w pierwszej kolejności powinna zostać spożytkowana przez urządzenia pracujące aktualnie w domu. Pompa ciepła musi być przyłączona za rozgałęzieniem, za licznikiem ModBus (również znajdującym się za rozgałęzieniem), aby licznik nie odczytywał energii zużywanej przez to urządzenie grzewcze. Tak wykonana instalacja pozwala na odseparowanie samej nadwyżki energii, na podstawie której będzie wysyłany sygnał pracy.

! Przy zastosowaniu dodatkowego licznika pompa ciepła również może realizować wcześniej opisane funkcje, a więc wspomaganie centralnego ogrzewania, przygotowanie ciepłej wody użytkowej czy chłodzenie, ale dzięki bardziej zaawansowanej komunikacji można też ustalić konkretne warunki współpracy układu, które wpłyną na jeszcze efektywniejsze wykorzystanie energii z domowej fotowoltaiki.

Uśredniona moc, przy jakiej zostanie wysłany sygnał pracy. Pierwszym z takich dodatkowych warunków współpracy urządzeń znajdujących się w układzie, jest uśredniona moc, przy jakiej zostanie wysłany sygnał pracy. Biorąc pod uwagę moc elektryczną potrzebną do pokrycia zapotrzebowania pompy ciepła, można wybrać odpowiednio wysoką wartość. Co istotne, moc jest mierzona przez określony czas i dopiero przy utrzymaniu się średniej wartości mocy generowanej przez instalację fotowoltaiczną ponad wartością progową, pompa ciepła zrealizuje zaprogramowaną funkcję.

Pozwala to zapobiec sytuacji, w której praca pompy ciepła byłaby wymuszana przy każdym, nawet krótkotrwałym, przebłysku słońca przez chmury. Sercem pompy ciepła jest sprężarka, na którą negatywnie wpływają częste załączenia, a uśrednienie pomiaru mocy pozwala zapobiec ewentualnemu taktowaniu urządzenia.

Odpowiedni udział energii z sieci, przy którym automatyka zezwoli na pracę sprężarki. To kolejny warunek, który można zaprogramować w tym układzie. Ma to na celu pobranie wcześniej zdefiniowanej części energii z sieci elektroenergetycznej, aby pompa mogła nawet w nieidealnych warunkach słonecznych osiągnąć zadane wartości temperatury wody na zasilaniu systemu. Dużą zaletą tej opcji jest możliwość dokładnego podglądu bilansu oraz statystyki fotowoltaicznej. Użytkownik może na bieżąco sprawdzać wartość nadwyżki energii wyprodukowanej przez instalację fotowoltaiczną oraz jaka część tej energii została wykorzystana na pracę pompy ciepła.

Dostępny jest również podgląd wartości progowej mocy oraz aktualnej i średniej mocy generowanej na poszczególnych fazach. Dzięki temu łatwo można zweryfikować, z jakiego powodu pompa się nie załącza, kiedy to zrobi i jaką funkcję będzie realizować po osiągnięciu wymaganej mocy.

Sposobów jest wiele…
Zwiększenie autokonsumpcji jest zabiegiem coraz bardziej powszechnym i szerzej promowanym przez producentów wszelkiego rodzaju sprzętów elektrycznych. Jak wspomniałem, sposobów do lepszego zagospodarowania energii w momencie jej produkcji przez instalację fotowoltaiczną jest wiele: od zastosowania nowoczesnych urządzeń AGD ze specjalnie dostosowanymi programami czasowymi, przez wykorzystanie inwertera PV z funkcją SG Ready, po zaprojektowanie całego systemu grzewczego, wybierając elektryczną wytwornicę ciepła oraz odpowiednie wyposażenie dodatkowe. Można oczywiście zdecydować się na rozwiązania bardzo proste, jak np. grzałka elektryczna na potrzeby przygotowania c.w.u., ale tam, gdzie jest to możliwe, warto jednak rozważyć pompę ciepła z rozbudowaną automatyką wyposażoną w licznik ModBus, który zapewni jeszcze bardziej efektywną pracę pompy ciepła oraz rozbuduje naszą instalację o przydatne dodatkowe opcje, jak na przykład obniżenie temperatury w pomieszczeniach w upalne dni.

Artykuł stanowi kontynuację cyklu „Warsztaty instalatora OZE” w zakresie mikro- i małych instalacji fotowoltaicznych. W tym roku w ramach cyklu opublikowaliśmy artykuł „Instalacja fotowoltaiczna na trzech połaciach dachu” („PI” 4-5/2021). Korzystając z wiedzy ekspertów z działu Wsparcia Technicznego i Szkoleń firmy Viessmann, przygotowujemy jego kolejne odcinki z praktycznymi wskazówkami dla projektantów i wykonawców, które zarazem mogą służyć jako argumenty w rozmowach z inwestorami.